一种基于工况自适应的塔式起重机智能负载节能控制方法与流程

本发明涉及塔式起重机控制的，特别是基于工况自适应的塔式起重机智能负载节能控制方法。

背景技术：

1、塔式起重机作业具有幅度动态大范围变化、吊重变载频繁、高空大风扰动强、塔身柔性摆动明显的独有特性。现有塔机控制系统存在以下行业固有缺陷：

2、1控制参数完全固化，无法适配塔吊变幅变力矩特性：传统塔机起升速度、小车变幅速度、回转速度均为出厂固定档位，控制器仅依据额定力矩简单限载，无法根据实时吊重、作业幅度、塔身倾角、高空风速进行连续、精细化自适应调节。小幅度重载时速度过快冲击大，大幅度轻载时速度过低、作业效率差。

3、2大风高空工况无联动控制，安全性差：塔吊属于高空悬臂结构，大风极易造成吊重摆荡、塔身挠曲、力矩超载风险。现有设备仅单一风速监测，无法根据风速等级自适应降低变幅、回转速度、调整制动柔度，不能做到“大风不降速、摆动抑制弱”。

4、3塔吊四机构控制解耦，无制动参数动态匹配：传统塔机起升、变幅、回转、制动参数独立控制，重载工况制动油压不足、刹停冲击大；轻载工况制动过紧、能耗高；大幅度悬臂工况制动延时固定，吊重晃动严重。

5、4塔吊轻载空载能耗浪费严重：塔机约80%作业时间为轻载、空载工况，但电机仍维持大励磁，固定参数控制下整机无效能耗高，行业普遍节能率不足5%，缺乏针对塔吊变幅度、变力矩特性的ai精细化节能算法。

6、现有公开专利多为通用起重机调速、单一风速保护、单一防摇控制，没有针对塔吊专属力矩特性、幅度-载荷耦合关系、塔身柔性、高空风载扰动的多工况ai自适应协同控制方案，也未实现起升、变幅、回转、制动四参数联动自适应与显著的量化节能效果。

技术实现思路

1、本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种基于工况自适应的塔式起重机智能负载节能控制方法，能够精准区分塔吊空载、轻载、重载、大风高危四大典型工况，依据塔吊力矩约束公式动态自适应整定起升速度、小车变幅速度、回转速度、制动油压与制动延时，实现塔吊全工况安全约束与节能优化，解决传统塔吊参数固化、工况适配差、摆动大、能耗高的痛点。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种基于工况自适应的塔式起重机智能负载节能控制方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，参数实时采集与预处理，采集塔式起重机实时吊重小车作业幅度、塔身顶端倾角、高空风速、起升/变幅/回转机构实时转速，并进行归一化预处理，构建工况特征向量；

4、步骤s2，力矩实时计算，根据实时吊重与小车作业幅度计算动态实际力矩，并计算力矩负荷率，基于所述力矩负荷率及高空风速将塔吊作业工况划分为空载工况、轻载工况、重载工况和大风高危工况；

5、步骤s3，轻量化ai塔吊工况分类模型，利用部署于塔吊的嵌入式边缘控制器，将工况特征向量输入部署于塔吊嵌入式边缘控制器的轻量化cnn卷积神经网络，通过卷积特征提取与softmax概率归一化，输出四大作业工况的对应置信概率，选取概率最大值对应的工况作为当前精准作业工况；

6、步骤s4，塔吊三机构速度自适应耦合整定，根据步骤s3识别出的当前工况以及力矩负荷率、高空风速、塔身顶端倾角，按照公式对塔吊的起升机构、小车变幅机构和回转机构进行无级调速；其中，为机构实际允许工作转速；为电机额定空载基准转速；为塔吊力矩自适应系数，负载率越高，速度越低；为风速衰减系数；为塔身姿态系数；

7、步骤s5，塔吊制动参数动态自适应整定，根据制动油压自适应公式；制动释放延时自适应公式；动态整定制动油压和制动释放延时；其中为实时自适应制动油压，为基准制动油压，为实时自适应制动释放延时，为基准制动释放延时，为塔吊实时力矩负载率，为施工现场高空实时风速，为塔吊额定安全最大工作风速。

8、作为优选，所述的步骤s1中采用塔吊专用归一化公式消除量纲：

9、；

10、其中，x为原始塔吊实测数据，为该特征样本最大值，为该特征样本最小值，为归一化后无量纲数据。

11、作为优选，所述的步骤s2中通过公式计算动态实际力矩；

12、通过计算塔吊力矩负荷率；

13、式中，为塔吊额定起重力矩，为塔吊实时力矩负载率。

14、作为优选，在时划分为空载工况；在时划分为轻载工况；在时划分为重载工况，在且叠加任意负载时划分为大风高危工况。

15、作为优选，所述的步骤s3将预处理完成的归一化特征向量输入轻量化cnn网络，通过卷积层完成多维度工况耦合特征提取，挖掘吊重、作业幅度、塔身姿态、高空风速之间的隐性关联规律，核心卷积特征提取计算公式：；

16、式中y为网络第i层卷积输出特征值；σ为非线性激活函数，用于提升网络特征拟合能力；w为网络可学习卷积权重参数；为四维归一化工况特征分量，对应、、、；b为网络偏置参数，用于修正特征输出偏差；网络完成卷积特征提取、池化降维与特征融合后，接入softmax激活函数层进行概率归一化处理，分别输出空载、轻载、重载、大风高危四大作业工况的对应置信概率，选取概率最大值对应的工况作为设备当前精准作业工况。

17、作为优选，所述的步骤s4中无级调速的具体规则为：

18、空载工况下，各机构保持100%额定全速运行；

19、轻载工况下，各机构降速15%~25%；

20、重载工况下，各机构降速30%~50%；

21、大风高危工况下，在负载调速基础上，回转机构和变幅机构额外强制限速20%。

22、作为优选，所述的步骤s5中：

23、力矩油压修正系数通过公式实时标定；

24、风载油压修正系数通过公式实时标定；

25、力矩延时修正系数通过公式实时标定；

26、风载延时修正系数通过公式实时标定；

27、其中，为塔身弹性模量为塔身截面惯性矩、为最大作业幅度、为钢结构许用应力、为机构转动惯量、为重力加速度、为塔吊额定安全最大工作风速、为塔身高度。

28、作为优选，所述的步骤s5中制动油压和制动释放延时的整定通过如下闭环液压控制系统实现：嵌入式边缘主控制器根据制动双参数公式实时计算目标制动油压值与制动延时参数，转换为4-20ma模拟量控制信号驱动电液比例压力阀无级调节制动油路供油压力，制动油路压力传感器实时采集实际制动油压并回传至主控制器，通过pid算法闭环修正输出控制信号。

29、作为优选，还包括步骤s6，保护策略，当塔吊实时实际起重力矩超出塔吊机型额定最大起重力矩，或塔身顶端实时倾斜挠曲角度θ超出塔吊安全作业允许最大倾斜阈值，触发强制安全保护，所有运动机构强制降速至当前运行速度的30%，并执行硬件联锁保护，禁止小车变幅向外伸展动作。

30、作为优选，还包括步骤s7，模型在线增量迭代优化，采用梯度下降在线迭代算法对轻量化cnn网络权重参数进行持续实时更新，权重迭代公式为：

31、；

32、式中，为模型迭代更新后的最新权重参数；为模型上一控制周期的历史权重参数，为本次迭代更新的基准参数；为学习率，为迭代步长系数；为损失梯度，损失函数的梯度向量。

33、本发明一种基于工况自适应的塔式起重机智能负载节能控制方法的有益效果：本发明针对塔式起重机变幅度、变力矩、高空大风、柔性塔身、频繁变载的作业特性，提出一种基于多源工况融合ai识别的塔吊智能负载自适应控制方法。精准区分塔吊空载、轻载、重载、大风高危四大典型工况，依据塔吊力矩约束公式动态自适应整定起升速度、小车变幅速度、回转速度、制动油压与制动延时，实现塔吊全工况安全约束与节能优化，解决传统塔吊参数固化、工况适配差、摆动大、能耗高的痛点，稳定实现整机节能15%以上。

34、本发明首次针对塔式起重机提出载荷-幅度-姿态-风扰四维耦合特征向量，结合轻量化cnn卷积神经网络实现塔吊空载、轻载、重载、大风高危四大工况的高精度智能分类识别，识别精度可达98%以上，克服了传统单一阈值判定方式适应性差的缺陷。

35、摒弃传统固定档位调速模式，建立连续自适应调速模型，根据力矩负荷率、风速、塔身倾角实时无级调节起升、变幅、回转三大机构速度，重载工况力矩波动抑制率≥60%，大风工况吊重水平摆幅抑制率≥65%。

36、建立了制动油压与制动释放延时的联合动态模型，实现重载大风工况自动加大制动油压、缩短制动延时，轻载空载工况自动降低制动强度、延长柔和释放，彻底解决传统固定制动参数“重载刹不住、轻载刹太死”的行业难题。

37、设置过载保护和塔身失稳保护双重危险边界，触发后强制降速30%并闭锁危险动作，在追求节能的同时确保绝对安全。

38、本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。